VÁKUOVANIE – SUŠENIE CHLADIACEHO OKRUHU 1.časť

VÁKUOVANIE – SUŠENIE CHLADIACEHO OKRUHU

Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD., úvod do vákuovania podľa učebných textov SZ CHKT

            Najefektívnejším spôsobom na odstránenie vlhkosti zo systému, je nechať ju zovrieť v hlbokom vákuu. Po vyčerpaní pár s obsahom vlhkosti zo systému a naplnení chladiva, zbytkovú vlhkosť uviaznutú v mŕtvych priestoroch odstráni postupne filterdehydrátor.

Vákuovanie  chladiaceho okruhu znamená odčerpanie vzduchu a vlhkosti z okruhu. Vzduch sa vývevou odčerpá pomerne rýchlo, pomalšie je to s vlhkosťou. Proces sušenia, odstraňovania vlhkosti sa tiež nazýva dehydratácia systému.

Čo je to vlhkosť

Vo vzduchu, ktorý dýchame je vlhkosť všade prítomná. Bez vlhkosti pozostávajúcej z vodnej pary by neexistoval život. Na druhej strane chladiace zariadenia sú infikované vlhkosťou, ak sa v ich okruhoch vyskytnú čo len stopy vodných pár.

Vodnú paru samu o sebe nie je cítiť a nie je viditeľná

Hmla alebo dym, ktoré vidíme ako vodné pary nie sú z fyzikálneho hľadiska pary. To sú najmenšie čiastočky vody, tzv aerosóly, ktoré sa vytvárajú z presýtených pár. 

Voda síce vrie pod  pri normálnom tlaku vzduchu až pri teplote 100oC, ale pod parciálnym tlakom pár v závislosti od teploty a tlakua relatívnej vlhkosti vzduchu je vždy vo vzduchu obsiahnutá.

Parciálne tlaky sa chovajú tak, ako všetky tlaky pár. Budú sa – pokiaľ je to možné – vždy vyrovnávať. Tak sa vodná para presunie vždy tam, kde je jej menej a kde sa práve nachádza najstudenší rosný bod vzduchu.

Obsah pár vo vzduchu

Smerom do nižších teplôt klesá a do vyšších teplôt rastie. Pri teplotách  pod rosným bodom vodné pary kondenzujú tak, ako to je vidieť na studených sklenených tabuliach. To je dôvod prečo studené časti chladiacich zariadení majú byť vždy najskôr temperované, skôr ako budú otvorené. Čím sú chladnejšie, tým viac vody na nich skondenzuje.

Vodná para má vlastnosť, že je pohlcovaná pórovitými materiálmi. Ostáva v mŕtvych priestoroch bez pohybu pár a pevne  priľnie na plochách drsnejších materiálov, použitých v chladiacom okruhu.

Potreba vákuovania

Úplné vyvákuovanie systému je dôležité z viacerých dôvodov. Nečistoty, prímesi ako vzduch a vlhkosť nielenže menia tlakovo teplotné pomery v systéme s chladivom, ale aj urýchľujú poškodenie systému tvorbou kyselín, ktoré znehodnocujú olej a podobne. 

Voda najmä v hermetických systémoch môže byť viazaná adhéznymi silami vo vinutí elektromotorov, na plochách statorových plechov, v póroch liatinových súčiastok a podobne. Príznakom, že nekondenzovateľne plyny sú v systéme je zvýšenie tlaku na výtlaku z kompresora.

Voda v chladiacom okruhu neupcháva len trysku expanzného ventilu tým že vymrzne ako ľadová kvapka, ale urýchľuje tiež tvorbu vosku, ktorý pochádza zo starnutia oleja. Pre tieto zlé vlastnosti je vlhkosť bola a je jedným z hlavných nepriateľov chladiaceho okruhu.

Tvorba kyselín

Vlhkosť znamená pre chladiace okruhy to isté ako vírus AIDS pre človeka. S vlhkosťou v okruhu je aj najlepšie chladiace zariadenie smrteľne choré, odsúdené na skoré zlyhanie. Vlhkosť podporuje koróziu kovových častí systému, starnutie oleja, znižuje výkon a zvyšuje potrebu servisu.

Ak systém je nedostatočne vyvákouovaný, zbytková vlhkosť reaguje pri vyšších teplotách a tlakoch s chladivom a olejom a tvorí kyselinu a alkohol. Je to spätná reakcia, ktorou pri výrobe vzniká POE olej. Kyseliny, ktoré vznikajú ako produkty rozpadu fluorovaných chladív a olejov v prítomnosti vlhkosti je postupne aj cítiť, dajú sa chemicky identifikovať a v takom prípade je nutné celý okruh prepláchnuť, naplniť novým olejom a novým alebo recyklovaným chladivom.

Kritický obsah vody

Aby sa mohlo zamedziť reakcii fluorovaných chladív a POE olejov s vlhkosťou, čo môže viesť ku tvorbe kyselín, je potrebné dodržiavať nízke hodnoty 10 mg na kg chladiva, ktoré môžu stúpnuť až na 80-100 mg. 

Limity vlhkosti sú rôzne pre rôzne časti chladiaceho okruhu. Najkritickejšie sú pre výtlačné ventily v kompresore, kde sa spätná reakcia pri rozklade oleja na kyselinu a alkohol môže spustiť.

Predpokladajú sa kompresné teploty do 100oC a neprítomnosť nekondenzovateľných cudzích plynov v okruhu max do 1,5 %. Aké by mali byť skutočné medzné hodnoty pre chladivo, respektíve pre recyklované chladivo je otázne. Podľa normy AHRI 740/91 je potrebné rozlišovať medzi recyklovaným a regenerovaným chladivom. Regenerované chladivo musí spĺňať požiadavky na čistotu nového chladiva podľa KBÚ.

Pred vákuovaním je potrebné urobiť skúšku tesnosti

Podľa STN EN 378-2 (body 5, 6). Vákuujeme pri plusových teplotách. Vývevu držíme v teple kvôli viskozite oleja.

Predtým, ako je systém naplnený chladivom a uvedený do prevádzky je veľmi dôležité zaistiť, že vlhkosť a nekondenzovateľné plyny budú zo systému odstránené.

            Doplňujúco k procesu vákuovania systému, môže byť zvažované aj vykonanie skúšky tesnosti “negatívnym tlakom”.  Odpojiť, izolovať sa musia komponenty, ktoré nie sú stavané na vákuum napríklad tlak uvoľňujúce ventily.

            Metódy vákuovania sa líšia pre nový systém alebo pre veľké rozľahlé systémy, kde sa vákuovanie môže obmedziť len na sekcie otvorené počas opravy.

Nový systém / hlavné modifikácie rozsahu vákuovania

            Vhodný typ a veľkosť vákuovacieho zariadenia musí byť použitý. Vákuovacie zariadenie sa pripojí do systému s čo najkratšími vhodne dimenzovaným hadicami. Vákuovacie zariadenie musí oddeliť vákuované zariadenie od vonkajšieho tlaku v prípade prerušenia elektrického prúdu. 

Vákuomer musí byť pripojený k systému na mieste najvzdialenejšom od pripojenia vákuovacieho zariadenia, aby sa namerala správna úroveň dosiahnutého vákua.

            Metóda viacnásobného vákuovania musí byť použitá pre väčšie, rozľahlé systémy; táto metóda využíva nasledovný postup.

• Vákuovanie na úroveň 1333 Pa z oboch strán systému.
• Po dosiahnutí žiadaného tlaku, je potrebné zaznamenať tlak na vákuomeri a skontrolovať ho po  min. 6 hodinách.
• Po 4 hodinách, zaznamenajte tlak. Akýkoľvek nárast tlaku môže indikovať, že v systéme je netesnosť a /alebo v systéme je stále zbytková vlhkosť.
• Preruší sa vákuum so suchým (odkysličeným) dusíkom cez výtlačnú stranu systému na úroveň absolútneho tlaku 1.1 bar abs.
• Vákuovanie na úroveň  670 Pa z oboch strán systému.
• Po dosiahnutí žiadaného tlaku, zaznamená sa tlak na vákuomeri a skontroluje po min. 6 hodinách.
• Po 4 hodinách sa zaznamená tlak. Akýkoľvek nárast tlaku  môže indikovať, že v systéme je netesnosť a /alebo v systéme je stále zbytková vlhkosť.
• Preruší sa vákuum so suchým (odkysličeným) dusíkom cez výtlačnú stranu systému na úroveň absolútneho tlaku 1.1 bar abs.
• Vákuovanie na úroveň  270 Pa (alebo nižšiu ak sa dá dosiahnuť) z oboch strán systému podľa normy STN EN 378-4:2017.
• Po dosiahnutí žiadaného tlaku 270 Pa zaznamená sa tlak a teplota na vákuomeri a sleduje počas 24 hodín (minimálne prijateľný čas je 6 hodín).
• Po 24 hodinách, sa zaznamená tlak a teplota. Ak nie je žiadny nárast tlaku (ktorý by mohol byť vzťahovaný ku zmene teploty) systém môže byť považovaný za suchý, tesný, bez vlhkosti a nekondenzovateľných plynov. Plnenie systému chladivom môže nasledovať.

Obrázok  Graf vákuovania inštalácie s obsahom 10-200 kg chladiva 

Prerušované vákuovanie

Zariadenie sa rýchlejšie vyvákuuje, ak je teplejšie a vákuovanie prebieha stupňovite (prerušovane). Takto sa zariadenie s vyššou náplňou chladiva vákuuje až na 10 mbar a vákuum sa raz až dvakrát preruší suchým dusíkom. Pomocou efektu zriedenia sa podstatne rýchlejšie dosiahne zbytkový podiel vlhkosti, ako pri dlhom vákuovaní, keďže s klesajúcim tlakom dopravovaný výkon čerpadiel rýchlo klesá.

Obrázok  Skúška tesnosti s pomocou vákua. Časová závislosť tlaku plynu od okamihu izolácie od vývevy

a – v systéme je netesnosť, b – v systéme je zdroj pár, c – v v systéme nie je netesnosť ani zdroj pár, d – v systéme je netesnosť aj zdroj pár 

Vákuovanie

Odstraňovanie vlhkosti - dehydratácia. Znamená odčerpanie vzduchu a vlhkosti – obsah vodných pár (nie hmla ani dym) pod parciálnymi tlakmi vo vzduchu. Parciálne tlaky majú snahu sa vyrovnávať a preto sa vodná para presunie tam, kde sa práve nachádza najstudenšie miesto. Schopnosť vzduchu nasycovať sa vodou závisí od teploty. Tlak v okruhu musí klesnúť pod bod varu vody - závislý od tlaku nad povrchom vody. Aby sa voda vyparila pri teplote 20 °C musí tlak klesnúť pod 2333 Pa.

Voda vrie  pri 

Intenzívne vyparovanie = zamŕzanie

Pri nižšom tlaku sa voda nielen intenzívnejšie vyparuje, ale aj systém sa ochladzuje a môže prísť k zamŕzaniu vlhkosti najmä v pórovitých materiáloch (FD) a EV.

Tlak v okruhu musí klesnúť pod bod varu vody - závislý od tlaku nad povrchom vody. Aby sa voda vyparila pri teplote 20 °C musí tlak klesnúť pod 2333 Pa alebo 23,1 mBar.

Veľkosť vývevy 

Sa určuje podľa veľkosti zariadenia. Ak výveva má vysokú výkonnosť, prudké zníženie tlaku v systéme môže spôsobiť zamŕzanie vlhkosti Zamrznutá vlhkosť môže byť odstránená sublimáciou, proces v ktorom sa vlhkosť v pevnej fáze mení priamo na plynnú bez zmeny na kvapalinu. Sublimácia si vyžaduje viac času.

           Pre určenie veľkosti vývevy na dosiahnutie tlaku približne 20 Pa sa môže tiež orientačne použiť veľkosť náplne chladiva, ktorá najlepšie zodpovedá vnútornému objemu chladiaceho okruhu. Nemusí to však tak vždy byť najmä pri široko rozvetvených potrubiach.

Minimálna sušiaca doba

Sušiaca doba nie je nikdy dosť dlhá. Čím dlhšie sa vákuuje, tým bude okruh „zdravší“. Je výhodné na vákuovanie využiť nočné hodiny. Najkratšia doba sa všeobecne nestanovuje. Závisí od kvality vývevy, vnútorného objemu, veľkosti vnútorných plôch, teploty okruhu a okolia. Spravidla platí:

„Čím je zariadenie teplejšie, tým je sušiaca doba kratšia.“

Kratšie vákuovanie do jednej hodiny pri dosiahnutí tlaku pod 100 Pa možno dostatočne odstráni nekondenzovateľné plyny, ale so sušením okruhu sa ešte len začína.

Ako dlho treba vákuovať

Minimálne 2 hodiny ak sa ku menšiemu okruhu do 10 kg chladiva pripojí dvojstupňová výveva, ktorá leží vo výkonovom rozsahu uvedenom v predchádzajúcej tabuľke. S príliš malými vývevami  bude vákuovanie trvať dlhšie než sa odsávacia etapa  ukončí a začne vlastné sušenie. Minimálna sušiaca doba sa približne vypočíta:

Minimálna sušiaca doba  = 1 hod + náplň chladiva v kg / dopravný výkon v m3/h x f

Súčiniteľ f závisí od veľkosti konečného vákua.  Ak je dosahované nižšie vákuum pod 12 Pa jeho hodnota je nižšia ako jedna. 

Minimálna sušiaca doba platí pri 20 .C Musí byť predĺžená, pokiaľ časti vyžadujúce si sušenie sú chladnejšie. Vypočítané sušiace doby platia pre chladiace zariadenia, ktoré obsahujú vzduch nasýtený vlhkosťou bez prítomnosti vody v kvapalnom stave.

Obrázok Okruhy s kapilárou vyžadujú vákuovanie zo sacej i výtlačnej strany. Ani malé okruhy nie je vhodné vákuovať z jednej strany

Požiadavky na správne vákuovanie

• Pred vákuovaním chladivo odobrať, chladiace zariadenie tlakovať a netesnosti odstrániť.
• Výveva musí mať len správny olej pre vývevy, ktorý sa nechá zohriať pred vákuovaním .
• Po cca 300 prevádzkových hodinách preskúšať výkon vývevy a vymeniť olej.
• Pred vákuovaním, zvlášť v chladnom počasí (období), vývevu nechať bežať 10 min. pri otvorenom ventile preplachovacieho plynu a uzavretom sacom nástavci, aby sa zohriala.
• Pri väčších okruhoch pri prvom vákuovaní preplachovací ventil otvoriť o 2 pootočenia.
• Pri chladiacich okruhoch s kapilárou bezpodmienečne uvažovať s druhým vákuovacím prípojom na filterdehydrátore.
• Sacie potrubie ku výveve musí byť veľké (čo do svetlosti) a čo najkratšie.
• Zohriatie konštrukčných častí má zmysel len vtedy, ak sa zohrieva celá vákuovacia dráha napríklad v zime pod vykurovaným stanom.
• Presostaty nevákuovať, ak dochádza ku deformácii membrán.
• Medzipreplachy robiť so suchým dusíkom (nie s chladivom).
• Po vákuovaní nesmie dôjsť k zvýšeniu tlaku nad tolerancie podľa veľkosti okruhu.

Odpory v chladiacom okruhu

Sa ľahšie prekonávajú použitím vývevy s vákuovaním z oboch strán, to znamená zo sacej i výtlačnej respektíve nízko i vysokotlakej strany. 

Dostatočne nízky obsah nekondenzovateľných plynov a vlhkosti pri evakuácii len zo sacej strany je možné dosiahnuť tak, že vákuovanie sa vykoná v dvoch stupňoch s medzi zapojením vyrovnania tlakov pomocou dusíka. 

Pri takomto postupe sa zbytkový vzduch zmieša s dusíkom. Po zriedení pri následnom vákuovaní sa percentuálny obsah cudzích plynov rýchlejšie zníži.

Prečo nie je vhodný kompresor na vákuovanie a výveva na kompresiu?

            Z dvoch dôvodov. 

• Po prvé kompresor nevytvára dostatočné vákuum (do 200 mbar) a
• po druhé existuje nebezpečie zničenia hermetického kompresora pri vákuovaní v dôsledku elektrického prierazu medzi kolíkmi priechodky, kde je vzdialenosť menšia ako 4 mm.

            Výveva je konštruovaná tak, že môže vytláčať maximálne na atmosférický tlak. Na odobratie chladiva z chladiaceho okruhu slúži kompresor, ktorý je schopný vytvoriť potrebné vákuum (do 200 mbar) a zároveň chladivo stlačiť, skomprimovať do fľaše. Jednostupňové vývevy sa už nepoužívajú (dosahujú 0,3 mbar). Používajú sa 2-stupňové vývevy (dosahujú 0,05 mbar).

Manometrický mostík - rozvádzač

     Výveva môže byť pripojená na centrálny prívod na rozvádzači, ktorý sa pripája hadicami na servisné ventily na nízko a vysoko tlakej strane chladiaceho okruhu. Kvalita vývevy, výkon, priemer hadíc dramaticky ovplyvňujú čas vákuovania. Priemer prípojných hadíc musí byť taký veľký ako je priemer vstupu do vývevy.

Počas vákuovania je úroveň vákua meraná na rozvádzači s analógovými alebo elektronickými tlakomermi. Elektronický rozvádzač dáva presné hodnoty v Pa. Pri použití analógového rozvádzača je potrebné pripojiť najlepšie priamo na najvzdialenejšom mieste chladiaceho okruhu alebo pred vstupom do chladiaceho okruhu tlakomer so stupnicou v pascaloch. 

Dôležité je pripojenie na chladiacom okruhu a nie na saní vývevy. Ak je použitý rozvádzač dlhšie pripojenie má mať voči výveve a kratšie voči pripojeniu na chladiaci okruh.

Po dosiahnutí požadovanej úrovne vákua, uzavrú sa ventily rozvádzača a výveva sa odstaví od zariadenia. 

Treba si uvedomiť, že pripojenie vývevy cez rozvádzač je súčasťou vákuovaného systému a teda i možným zdrojom netesností.

 Ak systém má netesnosti, zbadáme to na tlakomeri. Akákoľvek netesnosť sa  spôsobí rast tlaku v systéme. Ak je netesnosť malá, môže to trvať niekoľko minút až hodín, kým sa na tlakomeri preukáže rast tlaku.

Ak je prítomná vlhkosť, tlak stúpne a zastaví sa – ďalej nestúpa, ak v systéme nie je zároveň aj netesnosť. V tom prípade pokračujeme vo vákuovaní, prípadne vákuum prerušíme dusíkom.

Ak systém vákuum drží, vákuovanie je ukončené a môže sa začať plnenie olejom a chladivom. Plnenie olejom pod vákuom umožňuje nevystaviť POE vzdušnej vlhkosti.

Meranie tlakov

Relatívne tlaky 

merané vo vzťahu ku atmosférickému tlaku na manometri, na ktorom môže byť videný pretlak alebo podtlak. Tento tlak sa tiež nazýva manometrický tlak, ktorý pri atmosférickom tlaku je rovný nule. Často sa vyjadruje tiež pretlak a podtlak vo vzťahu ku atmosférickému tlaku.

Absolútne tlaky

Sú merané voči absolútne nulovému tlaku v pascaloch. Všetky tlaky budú pozitívne. Absolútne preto, lebo v kozmickom priestore je absolútne vákuum, to znamená, že tam nie je tlak. Nedá sa vyrobiť tlak nižší ako absolútne vákuum a preto akýkoľvek tlak nad ním je absolútny tlak.

Vákuum je taký stav plynov a pár, ktorých tlak je nižší ako okamžitý atmosférický tlak pri bežnej teplote (STN 107001).

Meranie aerostatického tlaku na ortuťovom barometri s hladinou otvorenou atmosférickému tlaku a zhora s uzatvorenou trubicou vyvákuovanou na úroveň absolútneho vákua ponorenou do ortuti. 

Na Zemi je atmosférický tlak

Je výslednicou  silového pôsobenia plynového stĺpca (atmosféry) na povrchu Zeme. Plynový stĺpec má rôznu výšku a to najvyššiu na povrchu Zeme nad hladinou mora a najnižšiu na Mount Everest.

Ak sa uvádzajú tlaky, musí byť zároveň uvedený vzťah buď ku absolútnemu vákuu vo vesmíre, kde je tlak rovný nule alebo k atmosférickému tlaku na našej planéte Zem.

Tlak meraný z inej tlakovej úrovne

            Musí byť k nej porovnávaný. To znamená tlakomer vystavený atmosférickému tlaku, ukazujúci nulu je nastavený na odčítanie pretlaku a podtlaku. 

Tlaky, ktoré sú merané manometrami a sú vyššie ako atmosférický (aerostatický tlak) sa nazývajú pretlaky.

Tlaky ktoré sú merané vákuomermi a sú merané od úrovne atmosférického tlaku sa nazývajú podtlaky. Na vákuomeroch sa treba presvedčiť, či udávajú podtlak voči atmosférickému tlaku alebo absolútny tlak.

Tlaky absolútne sú dané:

• Buď súčtom atmosférického tlaku a pretlaku
• Alebo rozdielom atmosférického (aerostatického tlaku) a podtlaku meraného od úrovne atmosférického tlaku

Meranie atmosférického tlaku a vákua

Je ukázané na obrázku na ortuťovom barometri s hladinou ortuti vystavenou atmosférickému tlaku a zhora s uzatvorenou trubicou vyvákuovanou na úroveň absolútneho vákua ponorenou do ortuti.

Ak hladina  ortuti v nádobe vystúpi  je vystavená atmosférickému tlaku, vystúpi ortuť na 0,1 MPa nad hladinou ortuti v nádobe. Táto výška je úmerná hmotnosti atmosféry nad hladinou ortuti v nádobe.

Zníženie tlaku pomocou vývevy

Ak tlak v nádobe sa začne znižovať pomocou vývevy, potom bude klesať aj stĺpec ortuti v trubici. Najnižší bod, na ktorý môže hladina ortuti klesnúť  je hladina ortuti v nádobe. Avšak len absolútne vákuum v trubici dokáže vytvoriť také meracie podmienky.

Absolútne vákuum na Zemi je len teoretické a preto stĺpec ortuti bude vždy trošku nad hladinou ortuti v nádobe.

Tento malý rozdiel sa meria v mikrónoch Hg. Vákuum 66,5 Pa čo je 500 mikrónov Hg, je vlastne výška ortuťového stĺpca meraná v mikrónoch a považuje sa za stredné vákuum dosiahnuteľné dvojstupňovou vývevou. 

Naše merania ukázali, že dvojstupňové vývevy predávané na súčasnom trhu takéto vákuum nedosahujú.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 3/2021